汽車驅(qū)動防滑控制硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)設(shè)計

車輛驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)通過控制驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)狀態(tài)改善車輛在軟弱附著路面的牽引性和操縱穩(wěn)定性,汽車電控系統(tǒng)開發(fā)的實質(zhì)是進行車輛控制原型及執(zhí)行器間的性能匹配,但單純計算機仿真難以完成這一任務(wù)。隨著相關(guān)技術(shù)的成熟，硬件在環(huán)仿真以其開發(fā)周期短、成本低和接近實際情況正成為汽車電控系統(tǒng)開發(fā)的主要研究手段[4-5]。
　　隨著微型計算機性能的不斷提高，使借助PC機實現(xiàn)實時仿真具有可行性。Matlab/Simulink作為一種常用的建模仿真軟件被廣泛應(yīng)用。MathWorks公司基于這種圖形化語言，又推出了Real-Time Workshop(RTW)工具箱用于將圖形化語言轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行的代碼語言，從而方便實現(xiàn)實時仿真。xPC Target(xPC目標)是針對RTW體系結(jié)構(gòu)的一種實時仿真系統(tǒng)構(gòu)建途徑，而且支持多種類型的I/O設(shè)備(包括PCI和ISA以及RS232等)，可以方便構(gòu)建硬件嵌入式實時系統(tǒng)，實現(xiàn)控制系統(tǒng)或者系統(tǒng)的快速原型化及硬件在環(huán)仿真與測試。
　　基于Matlab/Simulink軟件平臺建立了車輛驅(qū)動防滑控制硬件在環(huán)仿真平臺，通過該平臺進行了控制器硬件在環(huán)仿真實驗。實驗結(jié)果表明了控制器能夠穩(wěn)定工作，控制算法可以有效控制驅(qū)動輪的滑轉(zhuǎn)，顯著改善車輛的起步加速性能，為實車試驗以及電控單元的進一步開發(fā)打下了基礎(chǔ)。
1 車輛動力學仿真模型
　　汽車驅(qū)動防滑控制就是對汽車縱向力的控制，汽車的縱向力分為驅(qū)動力和制動力，驅(qū)動力由發(fā)動機發(fā)出的扭矩經(jīng)傳動系傳遞到車輪上，制動力是由制動力矩產(chǎn)生的。在進行驅(qū)動防滑控制研究時，要進行驅(qū)動力的控制，所以必須建立車輛系統(tǒng)的數(shù)學模型，這是進行縱向力控制研究的基礎(chǔ)。本文主要建立包括發(fā)動機模型、傳動系模型、輪胎模型和整車模型在內(nèi)的車輛系統(tǒng)動力學仿真模型。
1.1 發(fā)動機模型
　　由于在汽車行駛過程中，駕駛員可控制的只有發(fā)動機的節(jié)氣門開度，故建立的發(fā)動機模型主要是指一定的節(jié)氣門開度和發(fā)動機轉(zhuǎn)速下發(fā)動機輸出扭矩。
　　通過整理試驗獲得發(fā)動機穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩離散數(shù)組及其對應(yīng)的油門開度數(shù)組和發(fā)動機轉(zhuǎn)速數(shù)組，亦即發(fā)動機外特性和部分負荷特性，用于在發(fā)動機模型中計算發(fā)動機實時的輸出扭矩。圖1是試驗車發(fā)動機部分負荷特性圖，在發(fā)動機模型中計算發(fā)動機實時輸出扭矩時用到的就是這些數(shù)據(jù)。

計算時，首先根據(jù)此時的節(jié)氣門開度，利用二維插值函數(shù)獲得與其對應(yīng)的一組發(fā)動機部分負荷特性扭矩數(shù)組，然后根據(jù)此時的發(fā)動機轉(zhuǎn)速，利用二維插值函數(shù)對得到的部分負荷特性扭矩數(shù)組插值得到此時的發(fā)動機輸出凈轉(zhuǎn)矩?？杀硎緸槟骋挥烷T開度a下，對應(yīng)于發(fā)動機轉(zhuǎn)速的輸出凈扭矩。

1.2 非線性輪胎模型
　　目前采用的輪胎模型有多種形式，魔術(shù)公式是其中代表之一。該模型利用三角函數(shù)的組合公式擬合輪胎試驗數(shù)據(jù)，以一套形式相同的公式就可以完整地表達輪胎的縱向力Ftx、側(cè)向力Fty、回正力矩Ftz、翻轉(zhuǎn)力矩Mtx、阻力矩Mty以及縱向力、側(cè)向力的聯(lián)合作用工況，故稱為“魔術(shù)公式”。其一般表達式為：

式中Y(x)可以是縱向力，也可以是側(cè)向力或回正力矩，自變量可在不同的情況下分別表示輪胎的側(cè)偏角或縱向滑移率，式中的系數(shù)B、C、D和E依次由輪胎的垂直載荷和外傾角來確定。
　　本文建立的魔術(shù)公式輪胎模型主要對輪胎縱向力、橫向力和回正力矩分別與輪胎側(cè)偏角、車輪滑移率以及輪胎法向反力之間的映射關(guān)系進行描述，變量之間的關(guān)系如圖2所示。圖中α為側(cè)偏角，λ為縱向滑移率，γ為輪胎外傾角，F(xiàn)z為輪胎垂向載荷，a、b、c為計算參數(shù)，一般需要試驗進行求解。

1.3 整車模型
　　整車動力學模型是車體在空間中運動狀態(tài)的一種數(shù)學描述，能夠較為精確地給出車輛在空間中所受外力情況下的動態(tài)響應(yīng)。論文建立了7自由度車輛驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)仿真模型，包括車身的縱向、側(cè)向、橫擺三個運動，四個車輪繞輪軸的轉(zhuǎn)動。各自由度動力學微分方程如下：

其中Fx、Fy為輪胎縱向力和側(cè)向力在車輛坐標系的總分量，Mz為整車橫擺力矩，p為側(cè)傾角速度，ωr為橫擺角速度，u為車輛縱向速度，v為車輛側(cè)向速度，φ為側(cè)翻角，ωi為輪速，Mdi為驅(qū)動力矩，m為整車質(zhì)量，Izz為整車繞z軸橫擺慣量，Ixxs為整車繞x軸側(cè)翻慣量，h′為簧載質(zhì)心至側(cè)翻軸心的距離，ms為簧載質(zhì)量，Cφ為側(cè)翻阻尼，Kφ為側(cè)翻剛度，Cd為空氣阻力系數(shù)，ρa為空氣密度，Af為正向投影面積。
　　ax和ayu分別為車輛質(zhì)心絕對加速度在車輛坐標系X方向和Y方向的分量：

其他變量的計算如垂直載荷、整車縱向力、側(cè)向力以及橫擺力矩等參見文獻[5]，在此不再詳細說明。
2 驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)設(shè)計
2.1 電控單元設(shè)計
　　系統(tǒng)采用飛思卡爾(Freescale)公司16位單片機MC-9S12DT128作為中央處理器。該單片機內(nèi)核為HCS12結(jié)構(gòu)。片內(nèi)集成了很多資源，包括128KB的FLASH ROM；12KB的RAM；4KB的EEPROM；8通道的脈沖寬度調(diào)制模塊(PWM)；8通道的增強型捕捉定時器模塊(ECT)；2個8通道的AD轉(zhuǎn)換模塊(ATD)等。該芯片具有強大的定時器功能，非常適合用于車輛底盤電子控制單元的設(shè)計。在CODEWARRIOR集成開發(fā)環(huán)境中，可以進行程序的編譯、下載和在線調(diào)試。
　　ECU電路主要包括：電源模塊（+12V轉(zhuǎn)+5V），輪速信號處理模塊，最小系統(tǒng)模塊，電磁閥驅(qū)動電路，報警燈指示電路等。整個控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。輪速信號共有四路，分別來自四個車輪。輪速測量采用磁電式傳感器，輸出的是頻率和振幅變化的正弦波，其頻率與所測輪速成正比，這種模擬信號不易被ECU直接讀取，需經(jīng)過濾波、放大和整形處理。

2.2 驅(qū)動防滑控制程序設(shè)計
　　所設(shè)計的ASR控制程序主流程如圖4所示，圖中方塊為子程序模塊，全部自動返回主程序。

　對于均一路面，采用驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)率為主門限，車輪加速度為輔助門限的控制策略。目標是使車輛在加速起步過程中，獲得最大的地面附著力。而分離路面控制邏輯采用兩側(cè)車輪輪速差和車輪加速度作為控制門限。對于兩輪驅(qū)動工況，可以采用非驅(qū)動輪輪速平均值作為實際車速；對左右兩側(cè)驅(qū)動輪輪速進行判斷，選取高轉(zhuǎn)速的車輪進行控制。另外，當駕駛員踩下制動踏板時，ASR系統(tǒng)應(yīng)立即退出控制，這里不作過多討論。
2.3 硬件在環(huán)仿真平臺
　　硬件在環(huán)仿真試驗臺由微機（宿主機和目標機）、信號發(fā)生板、數(shù)據(jù)采集卡、電磁閥及電控單元組成，仿真方式采用xPC target結(jié)構(gòu)，如圖5所示。xPC target是MathWorks公司提供和發(fā)行的一個基于RTW（Real-Time Workshop)體系框架的補充產(chǎn)品，它可將Intel 80x86/Pentium計算機或PC兼容機轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€實時系統(tǒng)，而且支持許多類型的I/O接口板。它采用宿主機和目標機的“雙機型”解決途徑，使用兩臺PC機。其中宿主機用于運行Simulink，且?guī)в心繕舜a編譯器。而目標機則用于執(zhí)行實時產(chǎn)生的代碼。目標機運行了一個高度緊縮的實時操作內(nèi)核，通過以太網(wǎng)絡(luò)連接實現(xiàn)宿主機和目標機之間的通信。仿真結(jié)束后可將結(jié)果數(shù)據(jù)上傳至宿主機，進行分析處理。

整車動力學模型在宿主機PC的Matlab/Simulink環(huán)境中搭建，然后采用xPC工具將模型自動轉(zhuǎn)換成C代碼，通過以太網(wǎng)下載到工控機中作為被控對象，實現(xiàn)實時仿真。
　　真實物理部件主要為所設(shè)計的電控單元，該硬件部分與車輛模型的的信號接收及轉(zhuǎn)換使用Advantech公司高速數(shù)據(jù)采集卡PCL-726完成。
3 仿真
　　根據(jù)以上方法構(gòu)建ASR硬件在環(huán)仿真平臺，并嵌入所設(shè)計的電控單元，設(shè)置一定的工況進行后輪驅(qū)動車輛的驅(qū)動防滑控制半實物仿真研究。部分仿真參數(shù)如下：整車質(zhì)量130kg，簧上質(zhì)量117kg，整車繞Z軸橫擺慣量1500kg·m2，車輪半徑0.295m，輪胎轉(zhuǎn)動慣量1.8kg·m2，整車繞X軸側(cè)翻慣量750kg·m2。
 初始車速與輪速為零，以一定油門開度進行起步，設(shè)置低附路面附著系數(shù)為0.1，高附路面附著系數(shù)為0.7。本文給出右側(cè)驅(qū)動輪仿真結(jié)果進行分析。
3.1 低附路面仿真
　　仿真時，先不進行ASR控制（沒有嵌入控制器），在附著系數(shù)為0.1均一低附路面，車輛從一擋急加速起步，車輪輪速與車速的變化曲線如圖6所示。從圖中可看出驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速迅速上升,車速幾乎不增加，車輛的加速性能較差。

在仿真系統(tǒng)中嵌入設(shè)計的ECU，對驅(qū)動輪施加控制，目標是把驅(qū)動輪的滑轉(zhuǎn)率控制在最佳滑轉(zhuǎn)率附近，在附著系數(shù)為0.1的低附路面，一擋急加速起步，仿真結(jié)果如圖7所示。從圖示滑移率與輪速變化曲線可看出，控制系統(tǒng)能夠把車輪滑轉(zhuǎn)率基本控制在最佳滑轉(zhuǎn)率附近，輪速的波動也比較小，故車輛的加速性能、起步穩(wěn)定性得到明顯改善。

3.2 分離路面仿真
　　分離路面是一種車輛起步、加速行駛時非常典型的路況，仿真時車輛在(0.1/0.7)的分離路面一擋起步，圖8為所示輪速與整車橫擺角速度變化曲線。由結(jié)果可見，低附著一側(cè)車輪的滑轉(zhuǎn)率得到了有效的控制，同時也減小了左右驅(qū)動輪的輪速差，整車橫擺角速度也控制在較小的范圍內(nèi)，使車輛按預定軌跡起步加速。

基于xPC目標建立了車輛驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真平臺，完成控制算法的驗證和控制參數(shù)的調(diào)試，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)軟硬件匹配性能的初步驗證，為實車試驗打下了基礎(chǔ)。對于車輛驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)的快速開發(fā)而言，可以進一步將傳感器和液壓執(zhí)行器等嵌入環(huán)路中，借助xPC目標的強大功能以及Matlab平臺，實現(xiàn)低成本的快速開發(fā)。